Нанофотоника и оптика

Наши исследования и разработки в области нанофотоники и оптики нацелены на создание фотонных устройств с уникальными характеристиками или совершенно новыми функциональными возможностями. В этих устройствах эффекты концентрации и управления полями, обусловленные новыми оптическими явлениями, реализуют механизмы управления взаимодействием света с веществом. Это открывает перспективные горизонты научно-практических разработок широкого спектра фотонных устройств от ультрапроизводительных вычислений, защищенных средств связи, управляемых материалов и высоко эффективных солнечных батарей, до персональных средств индивидуального мониторинга в реальном времени показателей жизнедеятельности человека, способных детектировать ультрамалые концентрации и химический состав биологических объектов.

В ФМН мы разрабатываем и используем КМОП-совместимые микро и нанотехнологии для создания инновационных подходов и методологий управления светом и оптической детекции на микро и наноуровне. Для реализации этих подходов, наряду с классическими микротехнологиями мы разрабатываем новые оптоэлектромеханические, магнитооптические и оптофлюидные методы управления электромагнитными волнами, взаимодействия света с веществом и наноструктурами, контроля малых перемещений и ускорений. Мы применяем эти возможности и новейшие разработки для создания уникальных интегрированных систем в области:

элементной базы на новых физических принципах (малоразмерные источники когерентного излучения, высокоскоростные оптоэлектронные преобразователи и др.);
систем высокоскоростной передачи данных;
интегральной оптики;
адаптивных оптических систем;
инерциальных, температурных и акустических сенсоров;
однофотонных детекторов;
интегрируемых оптических сенсоров биологических объектов для микрофлюидных лабораторий-на-чипе.

Наша команда использует сочетание теории, моделирования, технологии и эксперимента для внедрения практических разработок на базе уникальных свойств создаваемых наноструктур и наноматериалов.

Нанофотоника изучает «поведение» света в нанометровых масштабах и взаимодействие света с нанометровыми объектами, и, помимо классических диэлектрических устройств, обычно включает металлические компоненты, которые позволяют передавать и фокусировать свет. Данную область нанофотоники обычно называют плазмоникой. В плазмонных устройствах используются электромагнитные осцилляции (волны), известные как поверхностные плазмон поляритоны (или поверхностные плазмоны, ПП), которые распространяются на границе металл-диэлектрик при возбуждении внешним источником света.

Плазмонные оптические явления активно исследуются последние годы благодаря их свойству фокусировать свет и усиливать оптические поля вблизи прецизионно спроектированных и изготовленных нанообъектов. Это дает возможность искать принципиально новые технические решения, которые могут позволить объединить в одном устройстве высокую производительность и ультравысокую степень интеграции, характерные для фотоники и микроэлектроники соответственно.

Посредством специальных наноструктур эти поверхностные волны могут быть сконцентрированы в нанометровых масштабах (менее длины волны), позволяя, например, существенно усилить взаимодействие света с веществом на поверхности или интегрировать фотонные и электронные элементы в одном устройстве с нанометровыми размерами. Наши исследования в области плазмоники направлены на выявление физических принципов взаимодействия света с наноструктурами, развитие технологии формирования плазмонных структур и методов управления поверхностными плазмонами для создания нового класса оптоэлектронных устройств.

Широкому практическому применению плазмонных устройств препятствует ряд физических и технологических ограничений. Основным физическим ограничением являются большие омические потери в металлах, которые приводят к стремительному затуханию поверхностных плазмонов, что губительно сказывается на работоспособности плазмонных устройств. Для снижения потерь в пассивных плазмонных системах в ФМН мы разрабатываем новые материалы и конструкции устройств, а также технологические методы формирования структурно совершенных материалов (эпитаксиальные плёнок толщиной менее 50нм с шероховатостью поверхности менее 1нм) и структур на их основе. В активных плазмонных системах – технологии компенсации потерь посредством введения усиливающих сред (квантовые точки, красители), которые обеспечивают «энергетическую подпитку» поверхностных плазмонов на пути их распространения.

Основным технологическим ограничением является воспроизводимая технология формирования суб-100нм топологических элементов, зачатую (для практических применений) на больших площадях, что радикально усложняет реализацию из-за высоких требований к допускам на изготовление плазмонных структур. Дополнительным негативным фактором (при использовании стандартной технологии изготовления многослойных полупроводниковых устройств «снизу-вверх») является возможная деградация структурно-совершенных материалов (уже созданных на первых этапах изготовления) при проведении технологических процессов формирования конструкции устройств (литография, травление и т.п.). В ФМН разработан ряд базовых технологических процессов, совместимых с технологиями массового изготовления (электронно-лучевая литография, плазмохимическое травление и т.п.), которые позволяют создавать устройства с суб-100нм топологическими элементами и площадью стандартного кристалла современного процессора. При изготовлении таких устройств обеспечиваются нанометровые допуска на размеры плазмонных элементов.

В области плазмоники основными направлениями исследований и разработок в ФМН являются плазмонные волноводы и системы высокоскоростной передачи данных на их основе, высокоскоростные оптоэлектронные преобразователи, плазмонные источники когерентного света и плазмонные сенсоры. Особый интерес для нас представляют интегральные фотонно-плазмонные системы, в которых уникальные характеристики фотонных приборов достигаются посредством их изготовления в едином технологическом цикле с плазмонными элементами, обеспечивая прецизионную точность их взаимодействия.

Плазмонные волноводы с элементами ввода-вывода сигнала могут быть использованы в высоконагруженных вычислительных системах в качестве промежуточного звена между оптическими линиями передачи информации (оптоволоконные кабели) и вычислительным ядром (интегральные схемы процессоров), ускорения межпроцессорной передачи информации в системах-в-корпусе, а также внутрипроцессорной передачи данных. В зависимости от назначения и требуемой дальности передачи (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) могут быть использованы как пассивные, так и активные плазмонные волноводы.

Применение плазмонных волноводов может позволить значительно уменьшить размеры фотонной части схем, которые имеют дифракционные ограничения, и существенно сократить потребление энергии активных компонент. ФМН ведет разработку технологических процессов изготовления плазмонных волноводов различных конструкций, систем ввода-вывода излучения, коммутационных элементов, а также системы высокоскоростной передачи данных на их основе.

Для создания плазмонных источников когерентного света или спазеров (spaser), т.н. плазмонных аналогов лазеров, мы исследуем различные типы резонаторных наноструктур, изготавливаемых на площадях в сотни микрон с точностью в единицы нанометров.

В зависимости от конструкции подобные резонаторные наноструктуры могут привести нас к разработке универсальных наноразмерных источников фотонов, плазмонов или электромагнитных полей. Помимо практических приложений исследование спазерных структур может позволить понять и объяснить фундаментальные физические основы и ограничения оптики нанометровых масштабов.

Для формирования устройств нанофотоники в ФМН мы применяем передовые КМОП-совместимые микро и нанотехнологии, предлагая и разрабатывая новые подходы с использованием самого современного технологического и метрологического оборудования.

Одним из ключевых элементов технологии в ФМН является нанолитография в сочетании с технологическими процессами изготовления устройств нанофотоники полного цикла. Принимая колоссальное ускорение темпа современных разработок, сложность экспериментальных работ и актуальную необходимость уменьшения размеров устройств нанофотоники, мы непрерывно совершенствуем технологические процессы электронно-лучевой литографии НОЦ ФМН для обеспечения возможности изготовления завтрашних суб-10нм устройств уже сегодня.